單片機實現低成本A/D轉換
在前面的文章中分別介紹了兩種用普通單片機實現低成本A/D轉換的方法，這兩種方法中在單片機的外部都要使用到一個比較器，在本文中繼續向大家介紹低成本的A/D轉換的一種方法，只是這種方法成本會更低，而且外部無需使用比較器。此種方法的A/D轉換精度不高，只有6～7bit，并且被測電壓范圍較為有限，但在某些精度要求不高，且被測電壓值變化不大的場合也很有實用價值，比如溫度測量方面。
其電路如圖一所示：
其工作原理說明如下：
1、硬件說明：
圖一中的R1、R2和C1構成RC充電電路，被測量通過R1、R2對C1充電。N1為單片機，本電路中采用MICROCHIP的PIC12C508A來舉例說明。C2為給電源供電用的濾波電路，VD1為保護用穩壓二極管，以避免輸入電壓過高而損壞單片機。
2、A/D轉換過程：
首先GP5輸出低電平，使電容C1上的電量完全放光，隨后GP5即轉變為輸入狀態，此時單片機開始計時，被測電壓經過R1、R2電阻對電容C1進行充電，電容C1上的電壓會逐漸升高，C1上的電壓U滿足以下公式：
其中U為電容C1上的電壓，E為輸入電壓(被測量)，T=(R1+R2)*C1，t為時間。
當C1上的電壓U達到單片機I/O腳的門嵌電壓時，單片機的GP5由低電平狀態轉變為高電平狀態。記錄從充電開始至此時所經過的時間t。
從上式可知，當單片機I/O腳的門嵌電壓、R1、R2、C1值都固定不變時，被測量的電壓值E與時間t呈一一對應關系。
因此測量輸入電壓對C1電容充電到門嵌電壓的時間，進行查表計算，就可以得到被測電壓值，從而實現了A/D轉換。
3、A/D轉換誤差分析及解決辦法：
A/D轉換的誤差主要由以下幾個方面決定，分別說明如下：
(1)單片機的電源電壓VDD：在該A/D轉換中，VDD電壓變化較大時有可能造成I/O口的門嵌電壓發生變化，不過其影響較小。
(2)單片機內部的定時器對C1電容上電壓上升時間的測量偏差：該測量偏差是A/D轉換誤差的主要因素。
(3)電阻、電容不穩定導致的誤差：當電阻R1、R2或電容C1的值發生變化時，也會使C1電容的電壓上升至門嵌電壓時間發生變化，這也將影響A/D轉換結果。
(4)單片機I/O腳的輸入阻抗：如果單片機的I/O腳輸入阻抗較低，相當于使RC值發生變化，也會影響A/D轉換結果。
(5)單片機的門嵌電壓：對于不同的單片機，其門嵌電壓可能略有相同，這也會導致測量誤差。
A/D轉換誤差的解決辦法：
(1)對VDD造成的誤差，只能通過提高VDD電壓精度來解決，VDD的電壓最好能穩定在2%范圍內，普通的7805就有2%的穩壓精度。
(2)對單片機內部的定時器產生的誤差，可以增加RC值，從而使C1電容上電壓上升時間延長，計數器測得的值較大，誤差會較小。不過R值若太大，受I/O口輸入阻抗影響也會較大。
(3)R1、C1選用精度較高較穩定的電阻、電容，或增加一個微調電阻器來解決。
(4)若單片機I/O腳輸入阻抗較低，可以減小R1、R2電阻，增加C1電容來解決。
4、A/D轉換速度及提高辦法：
由于該A/D轉換是通過被測值經過一個電阻對電容充電使電壓到達門嵌電壓后測量充電時間來得到A/D轉換值的，因此其A/D轉換速度會比較慢，它適用于對A/D轉換速度要求不高的產品中，其A/D轉換速度取決于以下幾個方面：
(1)RC值：當RC值太大時，測量速度會較慢，減小RC值可以提高A/D轉換速度，但由于計數時間較短，測量誤差會增大。
(2)被測電壓值的大小：由于C1上的電壓U是由小到大逐漸加大的，當被測電壓值較小時，U電壓上升到門嵌值的時間就越長，完成A/D轉換的速度就越慢。反之被測電壓越高，測量速度越快。
由上所述，A/D轉換的速度可以通過減小RC值來提高。若單片機帶有外部電平變換中斷，其A/D轉換的精度還可以得到提高。
5、輸入電壓的測量范圍：
A/D轉換的輸入電壓測量范圍為單片機門嵌電壓至單片機的電源電壓(VDD)，若需要提高被測電壓范圍，可將輸入電壓通過電阻分壓后進行測量，但其A/D轉換的誤差會受分壓電阻影響。
6、單片機的A/D轉換應用實例：
下圖為采用PIC12C508實現A/D轉換的應用實例，圖中用4個發光二極管來作相應的電壓值范圍指示。其電壓測量范圍為1.4V至2.55V，其測量精度為10mV。
該應用實例與原程序可參考MICROCHIP公司的單片機應用筆記，該文件可從MICROCHIP網站上下載。
擴展閱讀：單片機入門經驗談
編輯：admin 最后修改時間：2018-05-19
